Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong cơ cấu nông nghiệp tại Việt Nam, nấm rơm (Volvariella volvaceae) là loại thực phẩm phổ biến, có giá trị dinh dưỡng cao với hàm lượng vitamin C đạt 200 mg trong nấm tươi, hàm lượng axit amin chiếm 38,2% (cao gấp 8,47 lần so với thịt bò) và tỷ lệ tinh bột thấp. Tuy nhiên, phương thức canh tác truyền thống ngoài trời phụ thuộc hoàn toàn vào điều kiện thời tiết tự nhiên, dễ phát sinh dịch bệnh, thối chân nấm, dẫn đến năng suất và chất lượng không ổn định. Nhằm giải quyết các nhược điểm này, việc ứng dụng mô hình nhà kính tự động hóa kết hợp công nghệ Internet vạn vật (IoT) giúp kiểm soát chính xác các thông số môi trường vi khí hậu theo từng giai đoạn sinh trưởng của nấm rơm.
Đề tài "Thiết Kế Và Thi Công Mô Hình Trồng Nấm Rơm" của tác giả Huỳnh Hữu Sang và Châu Hoàng Tú (hướng dẫn bởi ThS. Nguyễn Thới, ngành Điện tử công nghiệp, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, 2020) được triển khai nhằm chế tạo mô hình giám sát và điều khiển vi khí hậu buồng trồng nấm. Nhiệm vụ nghiên cứu bao gồm 7 nội dung:
- Tìm hiểu và nghiên cứu về vi điều khiển ESP32, động cơ chấp hành, cảm biến nhiệt độ - độ ẩm không khí DHT11 và cảm biến độ ẩm đất.
- Thiết kế giao tiếp giữa vi điều khiển ESP32 với các thiết bị ngoại vi và module chức năng.
- Lập trình thuật toán điều khiển tự động các cơ cấu chấp hành theo dữ liệu cảm biến thu thập và thời gian thực.
- Xây dựng cơ chế truyền nhận và hiển thị thông số môi trường lên cơ sở dữ liệu đám mây Firebase.
- Thiết kế giao diện và lập trình điều khiển, giám sát thiết bị từ xa qua ứng dụng di động Blynk.
- Thi công lắp ráp mô hình phần cứng hoàn chỉnh.
- Vận hành thử nghiệm và đánh giá kết quả thực hiện của hệ thống.
- Đối tượng nghiên cứu: Quy trình kiểm soát môi trường sinh trưởng của nấm rơm (Volvariella volvaceae) và hệ thống phần cứng/phần mềm nhúng điều khiển tự động.
- Phạm vi nghiên cứu:
- Không gian: Mô hình buồng trồng nấm dạng hộp kín kích thước 44 x 31 x 31 cm (thể tích $V = 0{,}042\text{ m}^3$).
- Thời gian thực hiện: 16 tuần (từ ngày 13/03/2020 đến ngày 20/07/2020).
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết và công nghệ ứng dụng
Nghiên cứu dựa trên các yêu cầu sinh học khắt khe về điều kiện môi trường nuôi trồng nấm rơm qua hai giai đoạn chính:
- Giai đoạn nuôi sợi (ủ tơ): Nhiệt độ tối ưu từ 35°C đến 40°C (dưới 30°C sợi nấm sinh trưởng yếu, trên 45°C sợi nấm chết); độ ẩm cơ chất (độ ẩm nguyên liệu) đạt 70% – 75%; độ ẩm không khí từ 70% – 80%; không cần ánh sáng; độ pH cơ chất duy trì mức trung tính từ 7,0 đến 7,5.
- Giai đoạn hình thành quả thể (ra đinh ghim và thu hoạch): Nhiệt độ thích hợp từ 30°C đến 32°C (nhiệt độ hạ xuống 20°C – 25°C đinh ghim chết sau 12 giờ; dưới 15°C hoặc trên 45°C không hình thành quả thể); độ ẩm cơ chất từ 65% – 70%; độ ẩm không khí từ 85% – 95% (dưới 60% hoặc trên 95% làm teo nấm hoặc thối rữa); yêu cầu ánh sáng khuếch tán và độ thông thoáng oxy cao.
Về nền tảng kỹ thuật và truyền thông dữ liệu:
- Vi điều khiển trung tâm: Module ESP32-WROOM-32 (chip ESP32-D0WDQ6, 2 nhân xử lý tần số 80 MHz – 240 MHz, 520 KB RAM, 4 MB Flash, hỗ trợ Wi-Fi và BLE).
- Chuẩn giao tiếp phần cứng: Chuẩn nối tiếp đồng bộ I2C (giao tiếp giữa ESP32 với màn hình LCD qua 2 đường SDA, SCL) và chuẩn 1-Wire (giao tiếp giữa ESP32 với cảm biến DHT11 sử dụng các khe thời gian 60 $\mu\text{s}$).
- Giao thức và dịch vụ mạng: Khái niệm kiến trúc IoT, giao thức MQTT theo mô hình Publish/Subscribe, dịch vụ cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase Realtime Database của Google và nền tảng điều khiển thiết bị di động Blynk.
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật: Tính toán nhu cầu lưu lượng thông gió buồng nuôi dựa trên thể tích thực tế ($0{,}042\text{ m}^3$), số lần đổi khí ($X = 80$ lần) để lựa chọn quạt hút 3,61 CFM; tính toán tổng công suất tiêu thụ mạch điều khiển và tải chấp hành để chọn nguồn cấp.
- Phương pháp thực nghiệm và kiểm thử phần cứng: Chế tạo mạch in (PCB), lắp đặt các cảm biến và cơ cấu tác động vào mô hình vật lý; đo đạc tham số điện áp, dòng điện, mức độ ổn định khi truyền dữ liệu qua Internet.
- Phương pháp thu thập dữ liệu: Đọc tín hiệu số/tương tự từ cảm biến nhiệt ẩm DHT11 và cảm biến độ ẩm đất LM393 để so sánh với các ngưỡng cài đặt sinh học.
Thiết kế và triển khai hệ thống
Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa gồm 7 khối chức năng chính liên kết chặt chẽ:
(Nút nhấn, LCD 16x2) (ESP32-WROOM-32) (Blynk App & Firebase)
[Khối Relay Đệm]
[Khối Cơ Cấu Chấp Hành]
(Quạt, Phun sương, Sưởi, Bơm nước)
| Khối chức năng |
Linh kiện / Thiết bị chính |
Thông số kỹ thuật |
Vai trò trong hệ thống |
| Xử lý trung tâm |
NodeMCU ESP32-WROOM-32 |
Vi xử lý 32-bit Dual-core, RAM 520 KB, Flash 4 MB, mức logic 3.3VDC |
Thu thập dữ liệu cảm biến, thực thi thuật toán đóng ngắt, gửi dữ liệu lên Web/App |
| Cảm biến nhiệt ẩm |
DHT11 |
Điện áp 3–5VDC; đo nhiệt 0–50°C (±2°C); đo ẩm 20–90% RH (±5% RH) |
Đo nhiệt độ và độ ẩm không khí trong buồng trồng theo chuẩn 1-Wire |
| Cảm biến độ ẩm đất |
Module độ ẩm đất + IC LM393 |
Điện áp 3.3–5VDC, kích thước PCB 3 x 1.6 cm, ngõ ra DO/AO |
Đo độ ẩm của cơ chất rơm rạ thông qua hai cực kim loại cắm sâu vào mô nấm |
| Cơ cấu chấp hành |
Quạt tản nhiệt DC |
Nguồn 12VDC, công suất 1.08W, dòng 0.13A, lưu lượng 3.61 CFM, ồn 32 dB |
Thông gió và hạ nhiệt độ, độ ẩm khi vượt ngưỡng cho phép |
|
Động cơ phun sương siêu âm HB20-12 |
Nguồn 24VAC/DC, công suất 16W, lượng sương >350 mL/h, 12 đèn LED |
Tạo màn sương mịn tăng độ ẩm không khí khi độ ẩm xuống thấp |
|
Đèn sợi đốt tạo nhiệt |
Nguồn 220VAC/50Hz, công suất 40W, đường kính bóng 50 mm |
Bổ sung nhiệt lượng khi nhiệt độ buồng trồng hạ thấp dưới ngưỡng |
|
Động cơ bơm nước DC |
Nguồn 12VDC, công suất 3W, dòng 200mA, lưu lượng 1.8–3 L/phút, áp 0.3 MPa |
Bơm nước trực tiếp vào cơ chất khi độ ẩm đất bị khô |
| Cách ly & Đóng ngắt |
Module 4 Relay |
Nguồn nuôi 12VDC, dòng kích 200mA/kênh, tiếp điểm 250VAC-10A / 30VDC-10A |
Cách ly điện áp cao giữa mạch vi điều khiển và các thiết bị công suất |
| Hiển thị & Cài đặt |
LCD 16x2 + Module chuyển đổi I2C |
Nguồn 5VDC, driver HD44780, nối chân GPIO21 (SDA) và GPIO22 (SCL) |
Hiển thị giá trị cảm biến tại chỗ; hỗ trợ nút nhấn chuyển chế độ Auto/Manual |
| Hạ áp & Cấp nguồn |
Module LM2596 & Adapter |
Nguồn vào 4–35VDC, ra 1–30VDC, dòng tối đa 3A; Adapter 12V-2A, 24V |
Hạ áp từ 12VDC xuống 5VDC cấp cho ESP32, LCD; phân phối nguồn cho toàn hệ thống |
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng Quan Và Lí Do Chọn Đề Tài
Chương này phân tích thực trạng nông nghiệp truyền thống tại Việt Nam và sự cần thiết của việc hiện đại hóa quy trình sản xuất thông qua mô hình nhà kính tự động. Tác giả chỉ ra rằng kỹ thuật trồng nấm rơm ngoài trời thường xuyên chịu rủi ro thời tiết làm giảm năng suất. Đề tài xác định rõ mục tiêu thiết kế mô hình thử nghiệm kích thước 44 x 31 x 31 cm với đầy đủ hệ thống cảm biến, chấp hành và điều khiển IoT; lập bảng tiến độ thực hiện trong 16 tuần và xác định cấu trúc toàn văn báo cáo gồm 6 chương.
Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết
Chương 2 cung cấp toàn bộ nền tảng sinh học và kỹ thuật phục vụ việc thiết kế hệ thống:
- Đặc tính sinh học nấm rơm: Trình bày quy trình ủ rơm bằng nước vôi (3,5 kg vôi / 1.000 lít nước), kỹ thuật đóng mô 4 lớp giống (chiều ngang 0,3–0,4 m, chiều cao 0,35–0,4 m, lượng giống 200–250 g/1,2 m mô, năng suất thu hoạch đạt 120–200 kg nấm tươi/1 tấn rơm khô), và chu kỳ thu hoạch kéo dài 25–30 ngày chia làm 2 đợt.
- Nền tảng công nghệ: Trình bày chi tiết thông số vi điều khiển ESP32; nguyên lý hoạt động của các mạng IoT; cách thức trao đổi thông tin của webserver và dịch vụ Firebase Realtime Database; phân tích giản đồ xung và nguyên lý truyền bit của chuẩn I2C, chuẩn 1-Wire và giao thức MQTT.
Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế
Chương 3 trình bày chi tiết sơ đồ khối hệ thống và tính toán chọn linh kiện cho từng khối:
- Tính toán lưu lượng khí cần đổi cho buồng có thể tích $V = 0{,}042\text{ m}^3$ với hệ số $X = 80$, từ đó chọn quạt tản nhiệt 12VDC lưu lượng 3,61 CFM.
- Tính toán công suất khối điều khiển ($P_{\text{relay}} + P_{\text{ESP}} + P_{\text{LCD}} + P_{\text{CB đất}} + P_{\text{DHT11}} \approx 1{,}2\text{ W}$) và công suất khối tải chấp hành ($P_{\text{phun sương}} + P_{\text{đèn}} + P_{\text{quạt}} + P_{\text{bơm}} = 16 + 40 + 1{,}08 + 3 = 60{,}08\text{ W}$).
- Lựa chọn giải pháp cấp nguồn gồm Adapter 12V-2A, Adapter 24V, module hạ áp LM2596 và đường cấp trực tiếp 220VAC cho đèn sợi đốt; vẽ sơ đồ kết nối chân giữa ESP32 với màn hình LCD 16x2 qua I2C và cảm biến DHT11 qua chân digital.
Chương 4: Thi Công Hệ Thống
Chương 4 mô tả quy trình hiện thực hóa mô hình từ bản vẽ đến thực tế:
- Thiết kế phần cứng: Vẽ sơ đồ nguyên lý toàn mạch, xuất sơ đồ mạch in PCB cho mạch điều khiển trung tâm và tiến hành lắp ráp cơ khí vào khung buồng trồng.
- Xây dựng phần mềm: Xây dựng 5 lưu đồ thuật toán chi tiết: lưu đồ chương trình điều khiển chính, lưu đồ chế độ tự động (Auto Mode), lưu đồ chế độ điều khiển bằng tay (Manual Mode), lưu đồ truyền dữ liệu lên Firebase và lưu đồ giám sát qua Blynk App.
- Cấu hình môi trường: Trình bày các bước thiết lập Arduino IDE, nạp Board Package cho ESP32 DEVKITV1, khởi tạo dự án Firebase Realtime Database và cấu hình giao diện nút gạt/đồng hồ đo trên ứng dụng Blynk thông qua Auth Token.
Chương 5: Kết Quả – Nhận Xét – Đánh Giá
Chương 5 công bố kết quả kiểm thử mô hình thực tế qua hai chế độ vận hành:
- Kết quả điều khiển qua mạng: Giao diện Blynk App trên điện thoại và cơ sở dữ liệu Firebase cập nhật đồng bộ các thông số nhiệt độ, độ ẩm không khí và độ ẩm đất với độ trễ thấp; người dùng có thể kích hoạt bơm, quạt, phun sương hoặc đèn từ xa.
- Kết quả vận hành phần cứng: Hệ thống tự động so sánh giá trị thực đo với các ngưỡng cài đặt (ví dụ: nhiệt độ < 30°C tự động bật đèn sưởi, độ ẩm không khí < 85% bật bộ phun sương, độ ẩm đất giảm xuống mức quy định kích hoạt máy bơm).
Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển
Chương 6 tổng kết các hạng mục công việc đã hoàn thành đúng tiến độ: thi công thành công phần cứng, kết nối mạng không dây ổn định, đo đạc và điều khiển chính xác các thông số môi trường nấm rơm. Đồng thời, tác giả đề xuất các định hướng nâng cấp hệ thống phục vụ sản xuất thực tế quy mô lớn.
Kết quả và đóng góp
Kết quả thử nghiệm thực tế
Hệ thống phần cứng và phần mềm đã hoạt động đồng bộ với hai chế độ điều khiển đáp ứng yêu cầu kỹ thuật:
| Trường hợp thực nghiệm |
Trạng thái cảm biến đo được |
Phản hồi tự động của hệ thống |
Trạng thái hiển thị & Giám sát |
| Nhiệt độ môi trường hạ thấp |
$T < 30^\circ\text{C}$ |
Bật Relay kích hoạt đèn sưởi 40W |
Màn hình LCD và Blynk App báo đèn ON, cập nhật nhiệt độ tăng dần |
| Nhiệt độ/Độ ẩm vượt ngưỡng |
$T > 35^\circ\text{C}$ hoặc Độ ẩm $> 95%$ |
Ngắt đèn/phun sương, bật quạt tản nhiệt 12V |
Firebase ghi nhận dữ liệu đỉnh; quạt chạy hạ nhiệt và thông khí |
| Độ ẩm không khí thiếu hụt |
Độ ẩm $< 85%$ (giai đoạn ra quả thể) |
Bật bộ tạo ẩm sóng siêu âm HB20-12 |
Lượng sương $>350\text{ mL/h}$ phun vào buồng đến khi độ ẩm đạt ngưỡng |
| Độ ẩm cơ chất đất bị khô |
Đầu dò đất đưa mức tín hiệu DO lên cao |
Bật động cơ bơm nước tưới đất 12VDC |
Bơm cấp nước trực tiếp đến khi cảm biến đất chuyển mức logic thấp |
| Chế độ Manual (Bằng tay) |
Người dùng nhấn nút cứng hoặc bấm App |
Đóng/ngắt trực tiếp tải theo lệnh tức thời |
Cho phép can thiệp cưỡng bức bất kể thông số môi trường đo được |
Đóng góp kỹ thuật của đề tài
- Chế tạo thành công mô hình buồng trồng nấm khép kín có tích hợp đầy đủ hệ thống đo đạc nhiệt - ẩm vi khí hậu và cơ cấu tác động đa kênh (sưởi, quạt hút, phun ẩm, tưới đất).
- Kết hợp song song hai nền tảng IoT phổ biến (Firebase Realtime Database để lưu trữ/giám sát trên Web và Blynk App để điều khiển trực tiếp trên smartphone), tăng cường tính linh hoạt khi quản lý từ xa.
- Xây dựng mạch điều khiển dự phòng cho phép chuyển đổi mượt mà giữa chế độ tự động theo thuật toán và chế độ can thiệp thủ công bằng nút nhấn vật lý khi mất kết nối mạng.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế được ghi nhận
- Kích thước buồng trồng mới dừng lại ở quy mô mô hình nhỏ ($44 \times 31 \times 31\text{ cm}$), chưa thử nghiệm trực tiếp trên diện tích nhà kính lớn.
- Cảm biến DHT11 có dải đo và độ chính xác ở mức cơ bản (sai số nhiệt độ $\pm 2^\circ\text{C}$, độ ẩm $\pm 5%\text{ RH}$), có thể bị ảnh hưởng nếu môi trường độ ẩm bão hòa kéo dài.
- Hệ thống phụ thuộc vào sự ổn định của kết nối mạng Wi-Fi tại khu vực đặt thiết bị để duy trì tính năng giám sát từ xa.
Hướng phát triển tiếp theo
- Nâng cấp phần cứng cảm biến lên các dòng công nghiệp có độ bền và độ chính xác cao hơn (như SHT3x, cảm biến đo nồng độ khí $\text{CO}_2$, cảm biến đo độ pH tự động).
- Mở rộng quy mô điều khiển ra diện tích trang trại thực tế từ hàng trăm mét vuông đến hàng hecta.
- Tích hợp thêm các thuật toán điều khiển mờ (Fuzzy Logic) hoặc trí tuệ nhân tạo để tự động tối ưu hóa chu kỳ tưới và thông gió dựa trên dữ liệu môi trường tích lũy nhiều vụ mùa.
Giá trị tham khảo
Báo cáo khóa luận là tài liệu tham khảo hữu ích cho:
- Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử, Tự động hóa và Công nghệ thông tin: Tham khảo phương pháp thiết kế mạch vi điều khiển ESP32, lập trình kết nối cảm biến qua giao tiếp I2C, 1-Wire, và kỹ thuật đồng bộ dữ liệu lên Firebase/Blynk.
- Người nghiên cứu và phát triển nông nghiệp công nghệ cao: Tham khảo bộ thông số nhiệt - ẩm sinh học chuẩn xác của nấm rơm (Volvariella volvaceae) qua từng thời kỳ nuôi sợi và ra quả thể.
- Kỹ sư phát triển hệ thống nhúng IoT: Tham khảo cấu trúc thiết kế nguồn đa kênh (12V, 24V, 5V, 220V) và giải pháp mạch đệm relay cách ly chống nhiễu trong điều khiển thiết bị công suất.
Câu hỏi thường gặp
1. Vi điều khiển trung tâm trong mô hình sử dụng dòng chip nào và có cấu hình phần cứng ra sao?
Hệ thống sử dụng module NodeMCU ESP32-WROOM-32, tích hợp chip lõi kép ESP32-D0WDQ6 với tần số xung nhịp điều chỉnh từ 80 MHz đến 240 MHz, bộ nhớ RAM 520 KB, bộ nhớ Flash 4 MB, hoạt động ở mức logic 3.3VDC, có tích hợp sẵn kết nối Wi-Fi SoC và Bluetooth BLE.
2. Các yêu cầu nhiệt độ và độ ẩm cho từng giai đoạn sinh trưởng của nấm rơm được tác giả thiết lập như thế nào?
- Giai đoạn nuôi sợi: Nhiệt độ thích hợp 35°C – 40°C, độ ẩm cơ chất 70% – 75%, độ ẩm không khí 70% – 80%, không cần ánh sáng.
- Giai đoạn hình thành quả thể: Nhiệt độ tối ưu 30°C – 32°C, độ ẩm cơ chất 65% – 70%, độ ẩm không khí 85% – 95%, cần ánh sáng khuếch tán và độ thông thoáng oxy cao.
3. Khối cơ cấu chấp hành của mô hình gồm những thiết bị cụ thể nào?
Khối chấp hành gồm 4 thiết bị: quạt tản nhiệt DC 12V (công suất 1.08W, lưu lượng 3.61 CFM), động cơ phun sương siêu âm HB20-12 (24V, công suất 16W, lượng sương $>350\text{ mL/h}$), đèn sợi đốt gia nhiệt (220VAC, 40W) và động cơ bơm nước tưới ẩm cơ chất (12VDC, 3W, lưu lượng 1.8–3 L/phút).
4. Hệ thống giải quyết bài toán cấp nguồn cho các mức điện áp khác nhau như thế nào?
Hệ thống sử dụng Adapter 12V-2A làm nguồn chính nuôi mạch điều khiển và các tải 12V (quạt, bơm, cuộn hút relay); sử dụng module hạ áp xung LM2596 để hạ từ 12V xuống 5V cấp cho ESP32 và màn hình LCD 16x2; sử dụng Adapter 24V riêng cho bộ phun sương siêu âm và cấp điện trực tiếp 220VAC cho đèn sợi đốt qua tiếp điểm relay.
5. Dữ liệu từ buồng trồng nấm được giám sát và lưu trữ qua những nền tảng phần mềm nào?
Dữ liệu cảm biến được hiển thị tại chỗ trên màn hình LCD 16x2 (qua giao tiếp I2C), đồng thời được gửi lên đám mây Firebase Realtime Database của Google để lưu trữ/theo dõi trên giao diện Web và đồng bộ về ứng dụng Blynk trên điện thoại thông minh để giám sát và điều khiển 2 chiều từ xa.
Kết luận
Đồ án "Thiết Kế Và Thi Công Mô Hình Trồng Nấm Rơm" đã hiện thực hóa thành công một hệ thống IoT nông nghiệp khép kín, ứng dụng vi điều khiển ESP32 kết hợp nền tảng Firebase và Blynk. Toàn bộ các thông số nhiệt độ, độ ẩm không khí và độ ẩm đất được kiểm soát chặt chẽ theo đặc tính sinh học của nấm rơm qua từng giai đoạn phát triển. Công trình cung cấp giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng cao, tạo cơ sở thực nghiệm vững chắc cho việc mở rộng quy mô sản xuất nấm tự động hóa trong tương lai.
